DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108836
2.通讯作者
ScienceDirect:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56242811600
Received: 6 September 2023
1. 科学问题
不同隔膜材料在TR事件下电池单体、模组的传播行为
2. 实验与模型方法
LiCoO2/石墨 圆柱形18650电池 100% SOC（充电状态）和2 Ah的容量
2.2 模型
1. 副反应模型
2. 热模型
3. 模型参数
3. 研究结果
3.1 单体电池的0维模型
Fig. 1：0D集总参数模型，烘箱测试温度（145、150和155 °C），并与文献中的实验结果进行比较。
145 °C：在200分钟的暴露时间内，电池未达到热失控（TR）。
150 °C：触发TR，电池在75分钟内达到197 °C。
155 °C：TR更快触发，电池在45分钟内达到260 °C。 根均方误差（RMSE）：
145 °C：6.4 °C
150 °C：10.7 °C
155 °C：18.7 °C
150 °C的误差可能与安全通风口的电解质蒸发（未建模）有关，导致温度降低并延迟实验数据中的峰值。 第一阶段：加热（Fig. 2）：此阶段，烘箱通过对流和辐射加热，电池表面的温度上升，SEI分解是主要反应。随着烘箱温度的提高，SEI反应物消耗更快，浓度曲线向左移动。 第二阶段：热失控触发（Fig. 3、Fig. 4、Fig. 5）：虽然SEI分解无法直接触发TR，但足以使电池温度超过烘箱温度，指示内部能量释放。这一条件使得阳极-电解质反应变得更加活跃，最终导致阴极-电解质反应和电解质分解反应的触发，导致TR的发生。
Fig. 6：展示了三个烘箱温度下的电池内能量释放的总体现象。
以150 °C为例，SEI分解在22分钟内释放能量，随着反应物的消耗，能量释放减少。到25分钟时，阳极-电解质反应被触发，能量释放再次增加。
到70分钟时，阴极-电解质反应成为最后能量释放峰值的主要贡献者。 第三阶段：电池冷却：能量释放停止后，电池通过烘箱空气开始冷却，温度高于烘箱，导致通过辐射和对流进行热交换，直到温度实现平衡。 净能量率平衡（Fig. 7）：该值表示通过热交换和化学反应加入或移除的能量总量。
对于145 °C（无TR）和150 °C（发生TR）烘箱温度，初始几分钟内净能量率平衡为正。
当电池温度与烘箱温度相等时（约50分钟），热传递停止，但由于TR反应的能量释放，净能量率平衡仍为正，使电池继续加热，导致TR温度激增。
145 °C情况下，净能量率平衡在约50分钟时变为负值，电池进入冷却模式，最终实现热平衡，未发生TR。
Fig. 2. SEI reactants dimensionless concentration as a function of time during oven test for oven temperatures of 145, 150, and 155 °C.
Fig. 4.CaE reactants dimensionless concentration as a function of time during oven test for oven temperatures of 145, 150, and 155 °C.
3.1 单体电池的3维模型
热传递边界条件：在电池表面施加自然对流和辐射的热传递边界条件（Table 7）。对于烘箱测试模拟，边界条件的环境温度对应于烘箱中的控制温度，触发TR通过外部热传递。 内部短路模型：电池内芯卷的0.5%体积经历局部加热（电池储存能量的15%，估算为1.3e11 W/m），从内部触发TR。
2. 单电池3D烘箱测试模型结果
2. 热失控能量释放与浓度曲线（Fig. 10、Fig. 11）：
突出显示了150 °C烘箱测试情况下模型的比较，分别展示了TR能量释放和浓度曲线。
曲线对应于电池中高度位置、距圆柱轴线半径的一半。
4. 温度分布（Fig. 12）：展示了5000秒模拟期间电池内的温度分布。
1200秒：外部区域与烘箱的温暖空气接触，通过对流和辐射热传递接收能量，温度由外向内增加。
1500秒：观察到过渡现象，电池内部温度高于烘箱温度，表明发生了显著的内部能量释放。
3884秒：电池达到峰值温度，此时可消耗的TR反应物被耗尽，电池开始冷却阶段，5000秒时显示出这一现象。
3. 单电池3D内部短路模型
温度分布与能量释放（Fig. 13）：该图展示了在内部短路情况下电池内的温度分布和体积能量释放。
能量释放发生在ISC体积内，观察到形成一个“反应前沿”，该前沿沿电池的圆柱形状传播，消耗其反应物。
该反应前沿的形状与文献中的结果相似盖的体积不再释放能量。这是由于反应物的耗尽，导致这些反应物不再存在或可被消耗。
3.2 电池模组3D模型
模块几何形状（Fig. 14）：对称平面（A-A截面）。 分隔介质配置： 使用三种配置：陶瓷纸纤维、G7和空气间隙。空气间隙为基线配置，考虑未选择特殊材料分隔电池的情况。
电池间最小距离为1.5 mm，确保模块紧凑且无直接接触。
ISC触发的电池位于对称平面（A-A截面）上。 边界条件：
侧壁考虑为绝热，意在隔离电池模块与邻近模块的影响。
顶部和底部模块墙面考虑混合边界条件，考虑空气对流和辐射热传递现象。
顶部采用自然对流，底部采用强制对流以模拟实际应用中冷却系统的作用。
顶部的对流系数为5 W/(m²·K)，底部为40 W/(m²·K)，表面发射率为0.8。 模型假设：模型未考虑电池操作的热负载。研究的核心在于理解TR触发的故障条件及其传播的可能性。 材料特性（Table 9）：对两种固体分隔材料的热导率进行描述：
陶瓷纸纤维的热导率视温度而变化，G7的热导率则视为常数。
未考虑热接触阻力，保持保守的建模方法。 空气间隙模拟：Fig. 15 在模块的顶部和底部添加G7层，以提供结构支持，使空气被夹在两层固体材料和模块墙之间。 模块重量特性（Table 10）：三种分隔配置的半模块重量特性展示：
陶瓷纸纤维是三种配置中最轻的，重量为0.460 kg，比G7（0.567 kg）低23%，比带有G7顶部/底部支撑的空气间隙（0.466 kg）低1%。
陶瓷纸纤维配置具有最大的能量密度（253.4 Wh/kg）。 流动建模：
空气间隙模拟激活动量方程以建模浮力驱动流动，使用Rayleigh数评估流动状态。Rayleigh数低于1e8，表示流动为层流。
Fig. 16. Double loop numerical scheme that integrates the UDFs to the Ansys FluentTM with momentum equations.
3.3. 不同ISC位置的结果
分隔材料与ISC位置分析：
分析中使用了两种分隔材料：固体绝缘材料（陶瓷纸纤维和G7层压板）以及空气间隙。
空气间隙情况下，假设电池的辐射表面有两种发射率条件：标准发射率（ɛ=0.8）和降低发射率（ɛ=0.2）。 ISC触发位置（Fig. 17）：
采用了三种ISC触发位置配置，均位于对称平面：
ISC触发靠近模块墙面；
ISC触发位于第二排电池；
同时有4个ISC触发。
目的：通过比较位置1和2，评估ISC触发的关键位置；位置3模拟更严重的情况，即多个电池同时因ISC引发TR。
模拟分析：
首先对比了位置1和位置3的情况，均使用陶瓷纸纤维作为固体分隔材料。分析选择固体分隔材料配置以减少计算工作量，因为不涉及流体，导热为主要传热模式。
Fig. 18 展示了模块中部平面的温度分布。
温度分布结果（Fig. 19）：
在位置1（靠近模块墙面）时，模块中部半径处探针点测得的最高温度为133 °C（位于电池4），比位置2（第二排电池，电池6和7）的115 °C高出超过15 °C。
在位置2，ISC触发电池被4个邻近电池围绕，而位置1仅有2个邻近电池。因此，触发点释放的能量在其周围的分布不同，导致位置1的热传递情况更为严重。
结论：
在位置1和2之间，位置1为考虑的最坏情况（热传递更为严重）。
模块角落处（电池7）的ISC触发位置未进行测试，因为这会违反对称平面要求。
3.4. 不同分隔材料的分析
分析内容：
固体分隔材料：传热以导热为主，依赖材料的热性能和热通量传递的距离。
空气间隙：热传递包括辐射和对流，辐射热通量可长距离传播；浮力效应使对流热通量在电池上部更为强烈。 热通量分析：
Fig. 20（陶瓷纸纤维）：电池4邻近ISC触发电池，热传递均匀沿电池轴向方向进行。
Fig. 21（空气间隙，标准发射率ɛ=0.8）：电池1和7接收到较高热通量，热传递不均匀。 辐射与对流的影响（Fig. 22）：
辐射占总热通量的80%以上。 温度分布对比（Fig. 23-26）：
Fig. 23：ISC触发电池温度最高的是陶瓷纸纤维（600 s时398 °C），表现出最强的抗热传播能力。
Fig. 24：电池4的峰值温度最高的是空气间隙（标准发射率ɛ=0.8），其次是陶瓷纸纤维、G7和空气间隙（降低发射率ɛ=0.2）。
Fig. 25-26：电池1和7表现出陶瓷纸纤维的热延迟效果，温度曲线平缓，未超过85 °C。G7和空气间隙（标准发射率）表现相似，温度高于空气间隙（降低发射率）。 热失控（TR）未传播原因：
Fig. 27-28：尽管热传递引发了初步的内能释放，但未达到触发后续反应所需的温度，未能引发TR。 实验验证：
Fig. 29：空气间隙（1.5 mm）模拟结果与实验一致，未触发邻近电池的TR。实验中模块无侧墙，这解释了模型与实验间的冷却速度差异。 电池容量影响：
模拟基于18650（2 Ah）LCO电池。较大容量电池几何形状会直接影响热行为，需进一步通过模拟评估。
3.5. 多ISC触发电池的结果
模拟场景：
Fig. 30：模拟了4个被对称面切割的电池同时因ISC触发TR的情况（空气间隙）。
尽管这种情况发生概率较低，但在冲击等外部因素影响下可能会触发多个电池的TR。
热失控（TR）传播现象：
在500秒的模拟中，观测到热失控的连锁效应，电池4、6、5、8和9因热滥用逐渐达到TR。
Fig. 31：电池4和6的温度曲线相似，在224秒时温度急剧上升；电池5在252秒出现温度峰值。
热传递和边界条件的影响：
电池4和6比电池5接收更多热量，原因在于模块的绝热边界条件：ISC触发的电池1和4主要向电池4和6传热，而电池2和3的热量则分摊到电池4、5和6之间。
热失控的强度因能量接收量不同而异，靠近ISC触发电池的电池（如4、5、6）首先受到热量影响，8和9则受到二次热量传递的影响。
反应转变与温度峰值：
Fig. 32：在170秒时，能量释放短暂下降后又迅速上升，表明TR反应从SEI层分解及负极+电解液反应转变到正极+电解液反应和电解液分解。这种反应转变促成了224秒（电池4）和252秒（电池5）的温度峰值。
对比单ISC触发案例（Fig. 28），单个电池未达到触发更强烈反应的温度，因此未出现TR现象。
设计与安全建议：
模拟结果表明，在电池模块配置中，化学成分及多个ISC触发可能导致TR传播，这是混合动力及电动飞机设计时需重点解决的安全问题。
需关注TR在单个电池中引发的操作温度上限超出问题，同时考虑其他分隔条件能否延迟或防止TR传播。
未来模拟应包括电池失效时释放的热气体，以增加模型中的对流项，从而更准确评估TR传播的风险。
空气间隙（常规发射率）：为最关键的情况，最近的电池温度可达136°C，其他邻近电池温度超过90°C，虽然不足以引发TR，但仍超出电池的安全操作温度（约60°C），这对飞机操作存在安全隐患。
陶瓷纸纤维：为最有效的隔离材料，能够延迟邻近电池的加热过程，并大幅降低电池1和7的温度峰值，比G7材料轻23%。
G7材料：隔热效果较弱，未能有效延迟邻近电池的升温过程。
降低表面发射率：表现出减少电池间热传递的良好效果。
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